Какво представлява хлоропластът? Хлорпласти: структура и функции

Зеленчуковият свят е едно от основните богатства на нашата планета. Благодарение на флората на Земята има кислород, който всички дишаме, има огромна хранителна база, от която зависи животът. Растенията са уникални по това, че могат да превърнат химическите съединения от неорганичен характер в органични вещества.

Те правят това чрез фотосинтеза. Този важен процес се осъществява в специфични растителни органоиди, хлоропласти. това Най-малкият елемент всъщност осигурява съществуването на целия живот на планетата. Между другото, какво е хлоропласт?

Основно определение

Така наречените специфични структури, в които се появяват фотосинтетични процеси, които са насочени към свързването на въглероден диоксид и образуването на определени въглехидрати. Страничен продукт е кислород. Те са удължени органели, достигащи широчина от 2-4 μm, тяхната дължина достига 5-10 μm. При някои видове зелени водорасли понякога има хлоропласти - гиганти, удължени при 50 микрона!

Същите водорасли могат да имат друга характеристика: върху цялата клетка те имат само един органоид от този вид. В клетките висши растения най-често има 10-30 хлоропласти. Въпреки това, в тях може да има ярки изключения. Така че, в палисадната тъкан на обикновена макорка се предлагат на 1000 хлоропласти в една клетка. Защо се нуждаем от тези хлоропласти? Фотосинтезата е основната, но не и единствената, роля. За да се разбере ясно тяхната значимост в живота на растенията, е важно да се знае много аспекти на техния произход и развитие. Всичко това е описано в следващата част на статията.

Произход на хлоропласта

И така, какво е хлоропласт, научихме. И откъде произхождат тези органели? Как се е случило, че растенията имат такъв уникален апарат, който превръща въглеродния диоксид и водата в комплекс органични съединения?

В момента сред учените преобладаващите оглед на endosymbiotic произхода на тези органели, като тяхна независима поява в растителните клетки е доста съмнително. Известно е, че лишеите са симбиоза на водорасли и гъби. Еднокръвни водорасли докато живеят вътре гъбични клетки. Сега учените предполагат, че във времето не са проникнали фотосинтетични цианобактерии растителни клетки, и след това частично губи "независимост", пренасяйки по-голямата част от генома в ядрото.

Но новият органоид запазва основната си функция в пълна степен. Това е само процесът на фотосинтеза. Самият апарат, който е необходим за осъществяване на този процес, обаче се образува под контрола както на клетъчното ядро, така и на самия хлоропласт. По този начин разделянето на тези органоиди и други процеси, свързани с прилагането на генетична информация върху ДНК, се контролира от ядрото.

доказателства

Сравнително наскоро, хипотезата на прокариотна произход от тези елементи не е твърде популярен в научната общност, много го считат за "измислици аматьори." Но след задълбочен анализ на нуклеотидните последователности в ДНК на хлоропласти, това допускане беше брилянтно потвърдено. Оказа се, че тези структури са изключително сходни, дори свързани, ДНК на бактериални клетки. По този начин, подобна последователност се открива в свободно живеещите цианобактерии. По-специално, ATP-синтезиращите комплексни гени са изключително сходни, както и в "апаратите" на транскрипцията и транслацията.

Промотори, които определят началото на четене на генетична информация от ДНК и терминал нуклеотидни последователности, които са отговорни за прекратяването му, като организирана в изображението на бактериалната. Разбира се, милиарди години еволюционни трансформации са в състояние да направят много промени в хлоропласта, но последователността на хлоропласт гени остава абсолютно непроменена. И това е едно неопровержимо, пълно доказателство, че хлорпластите всъщност някога са имали прокариотски предшественик. Може би това е организъм, от който произхождат и съвременните цианобактерии.

Развитие на хлоропласт от пропластида

Един възрастен органоид се развива от пропластид. Това е малка, напълно безцветна органела, която има само няколко микрона в диаметър. Той е заобиколен от гъста двуслойна мембрана, която съдържа пръстен с форма на ДНК, специфична за хлоропласта. Вътрешната мембранна система тези "предшественици" нямат органоиди. Поради изключително малкия размер на тяхното изследване е изключително трудно и поради това данните за тяхното развитие са изключително малки.

Известно е, че в ядрото на всяка яйцеклетка от животни и растения съществуват няколко такива протопласти. По време на развитието на ембриона, те се разделят и се прехвърлят в други клетки. Лесно е да се провери: генетичните признаци, които по някакъв начин са свързани с пластиди, се предават само на майчината линия.

Вътрешната мембрана на протопластите по време на развитието се развива в органоида. От тези структури растат мембраните на тилакоидите, които са отговорни за образуването на гранули и ламели от стромата на органоида. В пълна тъмнина протостастидът започва да се превръща в прекурсор на хлоропласт (етиопласт). Този първичен органоид се характеризира с факта, че вътре в него е разположена доста сложна кристална структура. Веднага след като листата на растението стане светлина, то напълно се срива. След това се образува "традиционната" вътрешна структура на хлоропласта, която се формира от тилакоиди и ламели.

Разлики в растенията, съхраняващи нишесте

Всяка меристемична клетка съдържа няколко такива пропластиди (техният брой варира в зависимост от видовете растения и други фактори). След като тази първична тъкан започне да се трансформира в лист, прекурсорите на органоидите стават хлоропласти. По този начин, младите листа от пшеница, които са завършили растежа си, имат хлоропласти в количество от 100-150 парчета. Положението е много по-сложно по отношение на тези растения, които могат да натрупват нишесте.

Те натрупват запас от този въглехидрат в пластиди, които се наричат ​​амилопласти. Но какви са тези органоиди по темата на нашата статия? В края на краищата, картофените клубени не участват във фотосинтеза! Позволете ми да изясня този въпрос по-подробно.

Разбрахме какво е хлоропласт по пътя, разкривайки връзката на този органоид със структурите на прокариотните организми. Тук ситуацията е сходна: учените отдавна разбраха, че амилопластите, като хлоропластите, съдържат точно същата ДНК и се формират от точно същите протопласти. Следователно те трябва да бъдат третирани по същия начин. Всъщност амилопластите трябва да се разглеждат като специален тип хлоропласт.

Как се образуват амилопласти?

Можете да направите аналогия между протопласти и стволови клетки. Просто казано, амилопласти от определена точка започват да се развиват по малко по-различен път. Учените, обаче, са се научили нещо интересно: те успяха да постигнат взаимно превръщане на хлоропласти от картофени листа в амилопласт (и обратно). Каноническият пример, известен на всеки ученик - картофените клубени в светло зелено.

Друга информация за начините за диференциране на тези органели

Ние знаем, че по време на зреенето на доматени плодове, ябълки и някои други растения (и в листата на дървета, треви и храсти през есента) е процес на "деградация", когато хлоропласти в растителните клетки се превръщат в хромопласти. Тези органоиди съдържат в състава си багрилни пигменти, каротеноиди.

Тази трансформация се дължи на факта, че при определени условия тилакоидите са напълно унищожени, след което органелът придобива друга вътрешна организация. Тук се връщаме към въпроса, който беше обсъждан в самото начало на статията: влиянието на ядрото върху развитието на хлоропласти. Това е, чрез специални протеини, синтезирани в цитоплазмата на клетките, което инициира процеса на прегрупиране на органоструктурата.

Структура на хлоропласт

След като говорихме за проблемите на произхода и развитието на хлоропласти, трябва да се занимаваме по-подробно със структурата им. Освен това е много интересно и заслужава отделно обсъждане.

Основната структура на хлоропластите се състои от две липопротеинови мембрани, вътрешни и външни. Дебелината на всяка от тях е около 7 nm, разстоянието между тях е 20-30 nm. Както в случая на други пластиди, вътрешният слой образува специални структури, които се простират в органоида. В зряла хлоропласти, има наведнъж два вида такива "сливи" мембрани. Първите форми ламели на стромата, а втората - мембраните на тилакоидите.

Ламели и тилакоиди

Трябва да се отбележи, че има ясна връзка, която има мембрана от хлоропласти с подобни форми, които се намират вътре в органоида. Факт е, че някои от гънките му могат да се простират от една стена в друга (както в митохондриите). Така че ламелата може да формира или вид "чанта", или разклонена мрежа. Най-често обаче тези структури са разположени успоредно един на друг и не са свързани по никакъв начин.

Не забравяйте, че в хлоропласта има мембранни тилакоиди. Това са затворени "чанти", които са подредени под формата на стек. Както и в предишния случай, между двете стени на кухината има разстояние 20-30 nm. Баровете на тези "чанти" се наричат ​​зърна. Във всяка колона може да има до 50 тилакоиди, а в някои случаи има дори повече. Тъй като общите "размери" на такива купчини могат да достигнат 0.5 μm, понякога те могат да бъдат открити с помощта на обикновен светлинен микроскоп.

Общият брой гранули, които се съдържат в хлоропластите на висшите растения, може да достигне до 40-60. Всеки тилакоид е толкова близо до другия, че външните им мембрани формират една самолет. Дебелината на слоя в кръстопътя може да достигне до 2 nm. Имайте предвид, че такива структури, които се образуват от съседни тилакоиди и ламели, са доста чести.

На места, където те са в контакт, има и слой, който понякога достига същите 2 nm. По този начин хлоропластите (чиято структура и функции са много сложни) не са единична монолитна структура, а вид "състояние в държавата". В някои аспекти, структурата на тези органоиди е не по-малко трудна от цялата клетъчна структура!

Гранулите са свързани чрез ламели. Но кухините на тилакоидите, които образуват купчини, винаги са затворени и не комуникират с интермембранното пространство. Както можете да видите, структурата на хлоропластите е доста сложна.

Какви пигменти могат да се съдържат в хлоропластите?

Какво може да се съдържа в стромата на всеки хлоропласт? Има отделни ДНК молекули и много рибозоми. Гранулите от нишесте се отлагат в стромата на амилопласти. Съответно в хромопластите има оцветяващи пигменти. Разбира се, има различни пигменти от хлоропласти, но най-често срещан е хлорофил. Тя е разделена на няколко типа:

• Група A (синьо-зелен). Той се среща в 70% от случаите, съдържа се в хлоропласти от всички висши растения и водорасли.
• Група В (жълто-зелена). Останалите 30% се срещат и в растения и водорасли от по-висши видове.
• Групите C, D и E са много по-редки. Има хлоропласти от някои видове низши водорасли и растения.

В червените и кафяви водорасли в хлоропластите не е твърде рядко да има напълно различни видове органични багрила. В някои водорасли като цяло се съдържат почти всички съществуващи пигменти от хлоропласти.

Функции на хлоропласти

Разбира се, основната им функция е превръщането на светлинната енергия в органични компоненти. Самият фотосинтез се среща в гранулите с прякото участие на хлорофил. Той абсорбира енергията на слънчевата светлина, превръщайки я в енергията на възбудените електрони. Последният, притежаващ излишък от своя резерв, се отказва от излишната енергия, която се използва за разлагане на водата и синтезиране на АТР. По време на разлагането на вода се образува кислород и водород. Първият, както вече споменахме по-горе, е страничен продукт и се освобождава в околното пространство, а водородът се свързва със специален протеин, февердоксин.

Той отново се окислява, пренасяйки водорода към редуциращия агент, който в биохимията се обозначава с абревиатурата NADPH. Следователно, неговата редуцирана форма е NADP-H2. Просто казано, в процеса на фотосинтеза се освобождават следните вещества: АТР, NADP-H2 и страничен продукт под формата на кислород.

Енергийната роля на АТП

Полученият АТП е изключително важен, тъй като той е основният "акумулатор" на енергия, който се отнася към различните нужди на клетката. NADP-H2 съдържа редуциращ агент, водород и това съединение може лесно да го даде, ако е необходимо. Просто казано, той е ефективен химически редуктор: в процеса на фотосинтеза има много реакции, които не могат просто да продължат без него.

Освен това, в случай дойде хлоропласт ензими, които работят на тъмно и гран е водород на редуктор и енергия хлоропластен АТР използва за започване на синтеза на редица органични вещества. Тъй като фотосинтезата се осъществява при условия на добро осветяване, натрупаните съединения на тъмно се използват за нуждите на самите растения.

Можете с право да забележите, че този процес в някои аспекти е подозрително подобен на дишането. Каква е разликата между фотосинтезата? Таблицата ще ви помогне да разберете този въпрос.

Така фотосинтезата се различава от дишането. Таблицата ясно показва основните различия.

Някои "парадокси"

Повечето от следващите реакции протичат незабавно в стромата на хлоропласта. По-нататъшният начин на синтезиране на веществата е различен. Така че, обикновените захари незабавно преминават отвъд органоида, акумулирайки се в други части на клетката под формата на полизахариди, преди всичко - нишесте. В хлоропластите се появяват както отлагането на мазнини, така и предварителното натрупване на техните прекурсори, които след това се транспортират до други части на клетката.

Трябва ясно да се разбере, че всички реакции на синтез изискват огромно количество енергия. Единственият му източник е същата фотосинтеза. Това е процес, който често изисква толкова много енергия, че трябва да бъде приет, унищожавайки веществата, образувани в резултат на предишния синтез! По този начин, по-голямата част от енергията, която се произвежда в нейния курс, се изразходва за извършване на множество химични реакции в самата растителна клетка.

Само част от него се използва за директно получаване на тези органични вещества, които растението отнема за свой собствен растеж и развитие или се отлага под формата на мазнини или въглехидрати.

Дали хлоропластите са статични?

Обикновено се смята, че клетъчните органели, включително хлоропласти (чиято структура и функции са описани от нас), се намират стриктно на едно място. Не е така. Хлорпластите могат да се движат около клетката. По този начин, в слабата светлина те са склонни да заемат места, в близост до най-осветена страна на клетката, при условията на умерена до слаба светлина може да избере някой междинно положение, при което е възможно да се "хване" най-слънчевата светлина. Това явление се нарича "фототаксис".

Подобно на митохондриите, хлоропластите са доста автономни органоиди. Те имат свои собствени рибозоми, синтезират редица много специфични протеини, които се използват само от тях. Има дори специфични ензимни комплекси, по време на които се произвеждат специалните липиди, необходими за конструкцията на ламелни черупки. Ние вече говорихме за прокариотичната произхода на тези органели, но това трябва да се добави, че някои учени смятат, хлоропласти дългогодишните потомците на някои паразитни организми, които за пръв път стана симбионти, а след това напълно се превърнали в неразделна част от клетката.

Значението на хлоропластите

За растенията е очевидно - това е синтез на енергия и вещества, които се използват от растителните клетки. Но фотосинтезата е процес, който гарантира непрекъснатото натрупване на органична материя в глобален мащаб. От въглероден диоксид, вода и слънчева светлина, хлоропластите могат да синтезират огромен брой сложни високомолекулни съединения. Тази способност е характерна само за тях и човекът далеч не повтаря този процес при изкуствени условия.

Цялата биомаса на повърхността на нашата планета дължи нейното съществуване на тези малки органиоиди, които са в дълбините на растителните клетки. Без тях, без процесът на фотосинтеза, извършван от тях на Земята, няма да има живот в съвременните му проявления.

Надяваме се, че научихте от тази статия какво е хлорпластът и каква е неговата роля в растителния организъм.